seisminen data ja tomografinen inversio
SUGAR Line 1 Länsi-Etelä-Georgian repeämässä kerättiin maaliskuussa 2014 ja siihen sisältyi 11 räjähdyslähdettä, jotka rekisteröivät 1193 geofonia, joiden etäisyys oli ~250 m. SUGAR Line 2 itäisessä Etelä-Georgian repeämässä kerättiin elokuussa 2015 ja se sisälsi 14 räjähdyslähdettä, jotka on kirjattu vuoden 1981 geofoneilla ~200 metrin päässä toisistaan (kuva. 1; Täydentävä Kuva. 1; Lisätiedot 1).
näiden kahden profiilin vertailun mahdollistamiseksi sokerilinjoille 1 ja 2 sovellettiin johdonmukaista seismistä tietojenkäsittelyä, vaiheen tunnistamista ja nopeuden mallinnusta. Yksityiskohtainen kuvaus linjan 2 laukausta ja tiedot ja analyysi sokeri linja 2 on kuvattu Marzen et al.39. Täydentävässä taulukossa 1 luetellaan tiedot linjan 1 kuvauspaikoista, ajoituksesta ja latauskooista. Käsittelyvaiheet olivat kaistanpäästö suodatus laukaus kerää 3-14 Hz, soveltamalla offset-riippuvainen voitot ja amplitudi normalisointi jälkiä, ja soveltamalla vähennysnopeus 8 km s−1 helpottaa tunnistamista seismiset arrivals64. Käsitellyissä laukauksissa havaitsemme selkeitä saapumisia jopa 320 km: n siirtymillä (SOKERILINJAN 1 kokonaispituus). Tulkittuja vaiheita olivat taittuminen sedimenttikuoren, kuoren ja vaipan läpi sekä heijastukset sedimenttialtaan pohjasta (vain linja 1) ja Moho. Poimintavirheet määritettiin saapumistulkinnan luottamuksen perusteella, ja ne vaihtelivat yleensä välillä 0,04-0,15 s, joskin suurempia epävarmuustekijöitä osoitettiin pieniin poimujen osajoukkoihin (esim.hyvin kaukana lähde-vastaanotin-siirroista tai monimutkaisissa matalissa rakenteissa). Tulkitut saapumiset, laukaukset ja mittaritiedot on esitetty lisätiedoissa 1.
tietueissa Etelä-Georgian altaan alueella sijainneista laukauksista (laukaukset 4-14, täydentäviä viikunoita. 1, 2), havaitaan kaksi selvää sedimenttireaktiota, joilla on erilliset näennäiset nopeudet. Alle ~5 km: n siirtymissä sedimenttien taittumisnopeuden näennäinen nopeus on ~2-2, 5 km s−1. Poikkeamissa välillä ~5-20 km, sedimentin taittuminen on näennäinen nopeudet ~4,5-5 km s-1. Heijastuksia tunnistettiin näiden sedimenttikerrosten väliltä ja sedimenttien pohjasta (esim. 2). Etelä-Georgian altaan pohjoispuoliset laukaukset (otokset 1 ja 3, täydentävä Kuva. 1), sedimenttiset taitteet puuttuvat. Crustal refraktiot (PG) tunnistetaan ensimmäisinä ja toissijaisina saapumisina enintään 250 km: n tasoihin; näennäiset nopeudet kasvavat syvyyden kasvaessa ~6: sta >7 km s−1. Havaitsemme vaipan taittumista (PN) useilla otoksilla, joilla esiintyy suuria näennäisiä nopeuksia >8 km s−1 (esim. 2). PG: n ja Pn: n risteysetäisyys on ~180-200 km. PmP: n saapumiset tunnistettiin tyypillisesti 80-180 kilometrin välisillä siirtymillä. Valitsimme P-aaltojen saapumiset kuhunkin näistä vaiheista ja määritimme matka-ajan epävarmuustekijät silmämääräisellä tarkastuksella (täydentävä Taulukko 2). Täydentävä Kuva. 3 näyttää Lisää kuvia tulkituista vaiheista rivillä 1, ja vastaavat kuvat rivillä 2 ovat viikunoissa. S1-S14 alkaen tukevat tiedot Marzen et al.39. Vertailu laukaus kerää kaksi profiilia havainnollistaa eroja nopeus rakenne (täydentävä Kuva. 2). Sokerilinjasta 1 kerätyllä laukauksella havaitaan sedimenttien taittumista suurempiin lähde-vastaanotin-poikkeamiin, mikä heijastaa paksumpaa synrift-sedimenttiä tässä Etelä-Georgian altaan osassa. Lisäksi crustal refraktioiden näennäiset nopeudet (PG) Sokerilinjalla 1 ovat suuremmat kuin Sokerilinjalla 2, erityisesti sellaisten saapuvien tuotteiden osalta, joiden lähtötasapaino on suuri ja joissa otetaan näyte alemmasta kuoresta.
mallinnimme matka-aikaisia poimintoja heijastuksista ja taitteista sedimenteistä, kuoresta ja vaipan yläpuolelta rajoittaaksemme P-aallon nopeusrakennetta. SUGAR Line 1: n laukaukset projisoitiin kaksiulotteiselle viivalle, jonka päätepisteet olivat 30.509°N, 82.833°W ja 32.711°N, 85.0104°W, ja linjan 2 laukaukset projisoitiin linjalle, jonka päätepisteet olivat 30.743°N, 81.706°W ja 34.101°N, 83.760°W. molempien linjojen lähde-vastaanottimen siirtymät otettiin todellisesta geometriasta ja niiden oletetaan laskevan näitä 2D-linjoja pitkin. Sedimenttialtaan rakenne määritettiin iteratiivisella eteenpäin mallinnuksella ja inversiolla RAYINVR: ssä käyttäen sedimenttiheijastuksia ja taitekertymiä, kaivon lokia lähellä linjaa 256 ja pinnanmuodostusta PG: llä ja PN: llä matalien rakenteiden aiheuttamana65. Tämä koodi työllistää karkea nopeus malli parametrisointi käyttäjän määrittämät solmut, joka mahdollisti meille sisällyttää suoria rajoitteita altaan rakennetta sedimenttien taittuminen, epäsuorat rajoitteet pinnanmuodostuksesta PG saapumisia, ja rajoitteet muista tietoaineistojen (esim., COCORP heijastus data). Jätimme sitten rayinvr: stä määritetyn altaan rakenteen kiinteäksi ja käänteiseksi maankuoren ja ylemmän vaipan rakennetta varten vmtomo: n avulla. Eteenpäin askel vmtomo liittyy ray jäljitys graafimenetelmällä, ja käänteinen askel käyttää vaimennettu pienimmän neliösumman menetelmä minimoida kustannustoiminto tietojen misfit ja tasoitus / vaimennus ehdot. Useita iteraatioita eteenpäin mallinnus ja inversio sovellettiin, jossa misfit vähitellen vähennettiin ja tasoitus/vaimennus rajoitteita lievennettiin, jotta rakenne syntyä. Vaakasuora tasoitus oli yleensä 5 kertaa suurempi kuin pystysuuntainen tasoitus. Seismisen nopeuden varhaiset inversiot sisälsivät vain near-offset-tulon ja siten vain päivitti ylemmän kuoren; mallin syvempiä osia sisällytettiin vähitellen sisällyttämällä siihen asteittain pidemmät offset-vaiheet40, 41, 66.
nämä mallit sopivat aineistoon hyvin: χ2 on 1,27 ja juurikeskiarvo (RMS) on 72 ms rivillä 1 (täydentävä Taulukko 2) ja χ2 0,90 ms ja RMS misfit 85 ms rivillä 239. Ideaalinen χ2-arvo on 1, mutta suurempi arvo sallittiin linjalla 1, jottei 3D-geometriasta ja huonosti rajoittuneista altaan rakenteen vaihteluista aiheutuisi pienimuotoisia nopeusesineitä. Täydentäviä taulukoita 2 ja 3 osoittavat misfit rivillä 1 Laukaus kerätä ja vaihe, vastaavasti, ja data misfit kaikkien poimii on esitetty täydentävä Kuva. 4 rivillä 1 ja täydentävässä Kuvassa. 5 riville 2. Nopeusmallit radoille 1 ja 2 esitetään lisätiedoissa 2 ja 3.
nopeusmallien syvemmät osat, mukaan lukien alempi kuori, ovat haastavimpia ratkaista, ja maankuoren paksuuden lisäämisen ja alemman kuoren nopeuden lisäämisen välillä on kompromisseja. Arvioidaksemme epävarmuutta alemman kuoren nopeudessa, tutkimme mallin sopeutumattomuutta, joka liittyy häiriöihin alemmassa kuoren nopeudessa ja Moho-syvyydessä (lisähuomautus 2). Nämä tradeoff-testit osoittavat, että alemman kuoren nopeus voi häiriintyä vain ~0,05 km s−1 ilman, että χ2 sopii dataan yli hyväksyttävän tason (Supplementary Fig. 6 rivin 1 ja täydentävän kuvan osalta. 7 rivillä 2). Tiedot eivät kuitenkaan ratkaise paikallisten alempien maankuoren nopeuden häiriöiden tarkkoja ulottuvuuksia ja sijainteja kymmenien kilometrien mittakaavassa. Lisäksi nopeusmallimme ovat herkimpiä häiriöille alemmassa maankuoren nopeudessa ja Moho-syvyydessä kunkin seismisen linjan keskiosissa, joissa Käänteinen sädepeitto on runsain. Yhteenvetona voidaan todeta, että nämä nopeusmallit ovat herkkiä koko maankuoren alhaisemmalle nopeudelle, mutta niillä ei voida ratkaista pienempiä mittakaavavaihteluita maankuoren alemmassa nopeudessa. Tuloksemme perustana ovat suuret erot alemman kuoren nopeudessa ja kuoren paksuudessa Sokerilinjojen 1 ja 2 välillä, jotka ovat hyvin rajoitetut.
Magmojen tunkeutumispaksuuslaskelmat nopeuksista
arvioimme tunkeutuneiden magmojen paksuuden mukauttamalla lineaarista sekoituslaskentaa43 (Kuva. 2):
missä Zint on mafisten intruusioiden paksuus, Ztot on kuoren paksuus alle 20 km: n syvyydessä, VP-orig on alemman kuoren vertailunopeus ilman intruusioita, VP-obs on havaittu keskimääräinen alempi maankuoren nopeus (alle 20 km: n syvyydessä) ja VP-int on mafisten magmaattisten intruusioiden oletettu nopeus. Keskimääräinen havaittu alempi maankuoren nopeus (VP-obs) laskettiin 20 km: n syvyydestä Mohon jokaisella seismisellä linjalla. Tämä syvyysalue Ztot valittiin, koska maankuoren nopeuden kasvu näissä syvyyksissä heijastaa koostumuksen muutoksia eikä matalammassa kuoressa Havaittujen halkeamien ja huokosvälien sulkeutumista. Muokkaamattoman alemman kuoren vertailunopeudeksi arvioitiin 6,75 km s-1,39. Alempaa kuorta tunkeutuneen materiaalin nopeudeksi arvioitiin 7,2-7,5 km s-1,24,44,45,46,47. Koska negatiivisia tunkeutumispaksuuksia syntyy, kun alemman kuoren keskinopeus on alle 6,75 km s−1, Zint asetetaan näissä skenaarioissa 0 km: ksi.
Dekompressiosulatusmallit
käytämme Katz-parametrisointi57: ää sulamisfraktion laskemiseen 1D-kolonnin läpi syvyysalueella (paine) ja lämpötilaolosuhteissa kuoren ja vaipan litosfäärin eriasteisille harvennuksille. Tässä laskelmassa oletamme vaipan peridotiittikoostumuksen olevan 15% vedetöntä klinopyrokseenia painossa67. Tämä valinta kuvastaa sitä tosiasiaa, että manttelin rikastumisaste vaihtelee leirin laajuuden sisällä, mutta on suhteellisen alhainen Euroopassa verrattuna pohjoisempaan13. Jos vaipan koostumus olisi vesipitoinen tai siihen sisältyisi muita haihtuvia aineita aiemmasta subduktiosta, syntyisi suurempi määrä sulamista,kun haihtuvia aineita on mantle57, 58: ssa.
oletamme, että maankuoren alkuperäinen paksuus on 45 km55 ja litosfäärin paksuus 120 km68. Nämä alkupaksuudet on otettu seismisistä havainnoista tutkimusalueemme luoteispuolelta, jossa ei ole syvää Appalakkien juurta eikä todisteita maankuoren ohenemisesta.
laskettu sulamisfraktio suhteessa syvyyteen muunnettiin magmakuoren paksuudeksi tietyn vaipan potentiaalilämpötilan, maankuoren ohenemisen ja litosfäärin oletetun ohenemisen osalta. Laskeaksemme paineen litosfäärin ja astenosfäärin rajalla eri litosfäärin laajennusskenaarioita varten otaksuimme mannerkuoren tiheyden olevan 2800 kg m−3 ja vaipan litosfäärin tiheyden 3300 kg m-3. Tietyn määrän maankuoren ja vaipan litosfäärin ohenemista varten magmamaisten intruusioiden paksuus määritettiin integroimalla tuloksena oleva sulamisfraktio syvyyden yli.
toinen tärkeä panos odotettuun repeämämagmatismiin on syvyysriippuvaisen venymisen aste. Pidämme molemmat yhtenäinen venytys tapauksessa (kuva. 3) ja skenaarioita, joissa koko litosfääri on kokenut 2x ja 4x enemmän laajennus kuin kuori (täydentävä Kuva. 8):
koko litosfäärin venytystekijälle α ja maankuoren venytystekijälle β, jossa koko litosfäärin laajennus on maankuoren laajennuksen moninkertainen k.
lisäkuviossa on otettu huomioon epävarmuus kuoren ja litosfäärin jälkiogeenisessä, mutta prefrift-paksuudessa, dekompressiosulatuslaskelmat todennäköisistä loppujäsenisen maankuoren (40 km, 55 km) ja litosfäärin (90 km, 150 km) paksuuksista. 9. Enemmän sulaa syntyy dekompressiosulamalla, kun alkuperäinen litosfääri on ohuempi. Päätelty vaipan potentiaalilämpötila on suurempi, kun vain alkuperäinen kuori on ohuempi, koska maankuoren venymiskerroin on pienempi samalla päätellyllä magmakuoren paksuuden määrällä. Havaintojemme mukaan vaipan potentiaalilämpötilat ovat alle 1500 °C, kun litosfäärin paksuus on 150 km.
yhteenvetona voidaan todeta, että alkuperäisen paksuuden epävarmuudesta ja syvyydestä riippuvaisesta venymisestä huolimatta mallintamistulokset ovat yhdenmukaisia dekompressiosulatuksen ja kohtalaisen kohonneiden vaipan potentiaalilämpötilojen kanssa.
Etelä-Georgian Rift-magman tilavuuslaskelma
kehitimme arvion leirin magmatilan tilavuudesta käyttäen 1) sedimenttitäytteen paksuutta Etelä-Georgian altaassa (lisähuomautus 1)49 ja 2) Alemman maankuoren mafisen magmaattisen tunkeutumisen paksuutta Sokerilinjoilla 1 ja 2. Tämä lähestymistapa perustuu ensimmäisen kertaluvun havaintoon, jonka mukaan magmaattisten intruusioiden paksuus on suurempi siellä, missä synrift-sedimentit ovat paksumpia. Laskimme keskimääräinen tunkeutumisen paksuus (kuva. 2e-f) Etelä-Georgian altaan 500 m syvänteissä synrift sedimentinpaksuus (esim., 2000-2500 m) SOKERILINJOILLA 1 ja 2 (täydentävä Kuva. 10). Molempien seismisten linjojen kaikkia osia käytettiin kalibroinnin rajoittamiseen, paitsi jos meillä ei ole alemman kuoren ja Mohon erottelukykyä tai jos magmatismi voi olla peräisin Pangean hajoamisesta linjan 2 kaakkoispään leirin sijaan (eli rajoitteet linjasta 1: 50-250 km; linjasta 2: 50-280 km).
oletimme, että magmaattisia intruusioita ei ole, jos Etelä-Georgian altaan synrift-sedimentit ovat alle 1000 metrin paksuisia, mikä on yhtäpitävä maankuoren alempien nopeuksien havaintojen kanssa, joissa tilastollinen keskiarvo oli lähellä nollaa (Supplementary Fig. 10). Jos Etelä-Georgian altaan synrift-sedimentit ovat >1000 m paksuisia, arvioimme magmatismin määrän alimmassa kuoressa kertomalla Etelä-Georgian altaan alueen pinta-ala kussakin synrift-sedimenttipaksuusastiassa kyseisen sedimentin paksuuden keskimääräisellä magmaattisella tunkeutumispaksuudella. Oheinen yhtälö esittää, kuinka käytimme allasmallia arvioidaksemme alempien maankuoren magmaattisten intruusioiden määriä yhteenlaskemalla jokaisen bin I: n poikki:
missä M on magmatismin kokonaistilavuus, A on Etelä-Georgian altaan pinta-ala, joka laskee 500 m: n syn-Rift-sedimenttipaksuusvälin sisällä, ja M on kyseiselle lämpötilavälille laskettu Magma-intruusiopaksuuden keskiarvo (tai 0 0: lle 0-500 ja 500-1000 m: n lämpötilavälille). Nämä arvot esitetään Lisätaulukossa 4. Tämän menetelmän perusteella arvioimme 76 000-127 000 km3 mafisia magmaattisia intruusioita Etelä-Georgian repeämän alajuoksulla. Suoritimme tämän laskennan käyttämällä erilaisia roskakorikokoja ja totesimme, että tuloksena oleva tilavuusarvio ei ole kovin herkkä säiliön koon valinnalle.
teemme varovaisen arvion magmatismin määrästä ylemmässä kuoressa perustuen olettamukseen, että basaltti—tai diabaasikerrosten paksuus kaivon data25: stä heijastaa tunkeutumisen paksuuden vaihteluväliä Etelä-Georgian altaan laajuudessa-välillä 50 m ja 500 m. Sitten kerroimme basin49: n pinta-alan näillä kahdella päätyjäsenisen tunkeutumispaksuudella arvioidaksemme magmatismin määrän lähipinnassa. Tämän menetelmän perusteella arvioimme, että Etelä-Georgian repeämässä on 8 300-42 000 km3: n paksuisia pintamurtumia. Tämä arvio on samanlainen kuin muissa laskelmissa käytetyt menetelmät lähellä maanpintaa sijaitsevien Camp volumes1,4,18, mutta se ei ota huomioon tunkeutumisia, joita saattaa esiintyä matalassa kuoressa Etelä-Georgian altaan alla tai sen ulkopuolella.
